氮添加对亚热带常绿阔叶林土壤溶液化学特性的影响

马豪宇, 陈冠陶, 王 宇, 陈蕙心, 李青桦, 涂利华,*

1 四川农业大学林学院,长江上游森林资源保育与生态安全国家林业和草原局重点实验室,成都 611130 2 四川农业大学林学院,长江上游林业生态工程四川省重点实验室,成都 611130 3 太原市林业科学研究所,太原030000 4 德国哥廷根大学,森林科学和森林生态学院,热带和亚热带生态系统土壤学系,德国哥廷根 37077

因矿石燃料的燃烧、肥料的使用等人为活动的骤增,向大气排放的活性氮(N)以及从大气沉降的N日益增加,N沉降目前已成为全球三大变化问题之一[1]。据估计,工业革命前因人为活动产生的N沉降量仅为目前的十一分之一[2-3],且未来仍将持续增加。中国N沉降量在过去30年增幅达60%[4]。森林是N沉降的主要承受者,N沉降的增加对森林生态系统产生了深远的影响[5],因此探究N沉降对该生态系统的影响及其机制十分重要。

土壤溶液化学成分是森林生物化学变化中的敏感指标,对N输入等环境变化响应迅速[6],为研究N沉降对森林生态系统的影响提供了另一种研究方向。同时,土壤形成过程及土壤中的生物化学反应大多以土壤溶液为发生场所,因此,土壤溶液化学成分的变化能够一定程度反映土壤的最新状态[7]。对于植物而言,相比土壤中较高的养分含量,土壤溶液中的养分含量能更好反映土壤养分的供给情况[8]。人们通过分析土壤溶液化学成分的变化,可掌握土壤中各种生物化学反应的过程、作用机理及其与所处环境的关系。因此,研究土壤溶液的化学成分动态变化将有助于深入认识N沉降对森林生态系统的影响及其机制。

目前,N沉降对森林土壤化学变化的影响研究较多,如土壤碳(C)、N组分[9-10]、磷(P)组分[11- 12]、土壤酸化[13-14]、土壤酶活性[15-16]、土壤呼吸[17]等,而N沉降对土壤溶液化学成分影响的研究较少,且大多数以离心法或者水/盐溶液提取法采集土壤溶液样品[7, 18],无法获得长期定位研究数据。同时,这些方法会破坏土壤结构,从而影响溶液中一些化学成分的浓度,因此不能清楚反映自然状态中N沉降对森林土壤溶液的影响。

由于特殊的地理区位和地形,“华西雨屏”的年平均降水量在1500至2000 mm之间,湿N沉降量约为95 kg hm-2a-1, 处于很高水平[27]。长期的、高量的背景N沉降量的累积,极易造成生态系统N素过量,从而达到N饱和状态。课题组于2013年在“华西雨屏”中心地带碧峰峡亚热带常绿阔叶林中建立了长期N添加固定样地,前期发现N添加显著降低了表层土壤的pH,抑制了土壤呼吸速率,增加了土壤有机碳含量,并且土壤N素含量很高[17, 28- 29]。基于前期结果,在已进行N添加处理42个月的样地上使用负压土壤溶液采样器定位采集不同深度土壤溶液,并分析化学成分。通过该生态系统的硝态氮淋溶情况判断生态系统是否已达N饱和状态,并探索高背景N沉降下,持续增加的大气N沉降对土壤溶液化学特性的影响,并为预测大气N沉降持续增加对该区域森林生态变化提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区[30]位于“华西雨屏区”中心地带的四川雅安碧峰峡自然保护区(103°00′E,30°04′N),所属气候为亚热带湿润季风气候,年均温16.2℃,年日照长度1040 h,年蒸发量1011 mm,年均降水量1772 mm,年平均相对湿度79%。试验地为该保护区中山段的千家山林班,林班较为平坦,绝大部分坡度< 5°,海拔约1026 m,林分类型为常绿阔叶次生林,土壤类型为山地黄壤,凋落物层厚约5 cm,土表腐殖质层厚度大约10 cm,总土壤深度一般大于60 cm。样地主要树种有木荷(Schimasuperba)、红淡比(Cleyerajaponica)、木姜子(Litseacubeba)等。详细树种组成和土壤基本理化性质见文献[16]。

1.2 样地设置与N添加处理

2013年11月,在试验地布设12块20 m×20 m的样地,样地间距> 20 m,所有样地相互间的距离均在1 km以内。共设三个处理：对照、低氮和高氮,氮添加量分别为0、5、15 g N m-2a-1,由于样地背景氮沉降量约为10 g N m-2a-1,所以低氮和高氮处理模拟氮沉降增加50%和150%的情景,12个样地随机分配于3个处理,每个处理4个重复样地。具体的施氮方法是：首先将年N添加量等分为12份,然后每个月将等量的硝酸铵(NH4NO3)溶解于水喷洒至样地地表,2014年1月开始第一次施氮。后由于NH4NO3大量停产而无法购置,从2017年9月起,利用NaNO3及NH4Cl进行定量施氮。每次施氮时将各样地所需N添加量溶于10 L水中,在该样地中用喷雾器均匀喷洒,CK喷洒10L清水。

1.3 样品采集与处理

于2016年12月和2017年4月,分别在每块样地的60 cm和45 cm布设陶瓷头土壤溶液取样管(S32型,众添公司,中国)。土壤溶液取样管的陶土头,即用于采集土壤溶液的有效部分长度为8 cm,因此,试验采集到的土壤溶液为A层(37—45 cm)和B层(52—60 cm)的样品。为减少前期土壤扰动对土壤溶液造成的影响,布设土壤溶液取样管后的前几个月不采样。2017年7月到2018年6月,每月施N前,用负压法采集土壤溶液样品,放置在4℃泡沫箱尽快带回实验室。

1.4 数据处理与统计分析

使用Excel 2010整理试验数据,使用SPSS 20.0统计分析试验数据。用多重比较法和重复观测方差分析比较N添加对土壤溶液各化学指标的影响。用Pearson相关性分析进行土壤溶液各化学指标的相关分析。统计学显著水平为α=0.05。使用SigmaPlot 12.5进行作图。

2 结果与分析

2.1 N添加对土壤溶液的影响

图1 N添加对土壤溶液和的影响Fig.1 Effects of simulated nitrogen deposition on in soil solutionsCK：对照;LN：低N;HN：高N;time：时间效应;nitrogen：N处理效应;T×N：时间与N处理交互效应time: Effect of time; nitrogen: Effect of nitrogen; T×N: Interactive effect of time and nitrogen;图中数据为平均值±标准差;不同小写字母代表不同N处理间差异显著

2.2 N添加对土壤酸碱平衡的影响

由于测试仪器问题,前8次的pH数据未能使用。与CK比较,LN处理的A、B层土壤溶液pH值分别降低0.18和0.06;HN处理的A、B层土壤溶液pH值分别降低1.03和0.75(图2),两层土壤溶液均表现为深度越深,pH值降低越少,表明土层越深,土壤酸化的程度逐渐减弱。

LN处理对Al3+浓度影响不显著,HN处理使A、B层Al3+浓度显著增加了3.1倍和2.3倍(图2)。

在同一N添加处理水平下土壤溶液Ca2+浓度随土壤深度的增加而降低,表现为A层 > B层(图2)。CK的Ca2+年均浓度为(45.0±5.20)mg/L(A层)和(40.7±3.10)mg/L(B层),Mg2+年均浓度为(1.41±0.22)mg/L(A层)和(1.38±0.27)mg/L(B层),随着N添加量的增加,Ca2+、Mg2+浓度有增加的趋势(图2)。

图2 N添加对土壤溶液pH、Al3+、Ca2+和Mg2+的影响Fig.2 Effects of simulated nitrogen deposition on pH、Al3+、Ca2+ and Mg2+ in soil solutions

2.3 N添加对土壤溶液有机碳的影响

CK的DOC年均浓度为(12.7±0.34)mg/L(A层)、(10.9±0.11)mg/L(B层),N添加显著抑制A层DOC浓度,且LN及HN均降低20%; B层DOC浓度受N添加影响不显著(图3)。

CK的土壤溶液AI值为(1.59±0.12)L mg-1cm-1(A层)和(1.99±0.05)L mg-1cm-1(B层),N添加处理对AI影响不显著(图3)。

图3 N添加对土壤溶液DOC和AI的影响Fig.3 Effects of simulated nitrogen deposition on dissolved organic carbon and aromatic index in soil solutions

2.4 N添加对土壤溶液EC、Eh的影响

同一N添加处理下,随着土壤深度的加深,EC降低、Eh升高(图4)。

图4 N添加对土壤溶液EC和Eh的影响Fig.4 Effects of simulated nitrogen deposition on EC and Eh in soil solutions

CK下,A层的土壤溶液EC为(198±20.70)μm/cm,LN和HN处理较CK显著增加20%和80%;CK下,B层的土壤溶液EC为(126±6.81)μm/cm, LN与HN处理较CK分别增加60%和150%(图4)。

CK的A层土壤溶液Eh为(249±2.2)mV,LN与HN的Eh较CK分别增加5%和17%; HN显著提高B层土壤溶液Eh,增幅达14%。

2.5 N添加对土壤溶液其他化学成分的影响

2.6 土壤溶液各化学成分的相关分析

表1 A层土壤溶液各指标Person相关分析r值

表2 B层土壤溶液各指标Person相关分析r值

3 讨论

3.1 该生态系统的N素状态和响应

3.2 N添加对土壤酸碱平衡的影响

本研究中N添加显著提高Al3+浓度,这与元晓春[39]等对亚热带杉木人工林土壤溶液的研究结果相似。一般认为,对土壤酸化的缓冲调节主要受土壤的金属离子影响,土壤pH值不同,缓冲其酸化的金属阳离子可能也不同[13]。在pH为4.5到7.5时,酸化更多地由盐基离子来缓冲,当盐基离子用尽时,将由非盐基离子调控缓冲,这(主要是Al3+)将对植物产生潜在的危害[13]。本试验中HN处理对Al3+浓度的影响,反映出该试验地土壤很可能已经转移到Al3+缓冲土壤酸化的阶段;此外,Al3+浓度增加会抑制根系吸收阳离子,从而影响树木根系生长以及代谢功能[40]。土壤溶液pH值及Al3+浓度对HN处理的响应,反映了N饱和时N添加会使土壤溶液持续酸化。

3.3 N添加对土壤溶液可溶性有机碳的影响

本研究中,N添加显著抑制土壤溶液DOC浓度,这与福建杉木人工林[24, 39]、东北阔叶混交林[35]的研究结果一致。凋落物,尤其是凋落叶,是森林C输入的主要来源,而DOC是凋落物分解过程的产物之一。本课题组对该试验地的研究发现,N添加对本试验地凋落物输入量并未产生显著影响[17]而显著抑制了凋落物的分解[41],因此凋落物输入量并不是引起试验地DOC浓度变化的原因,而凋落物分解的速率改变可能是主要因素。木质素是凋落物分解后期的关键成分[42],N添加会改变分解环境,如降低pH值、增加可交换性金属离子等,从而抑制木质素分解微生物种类的活性,以及抑制木聚糖酶和过氧化物酶的活性从而抑制木质素的分解[43],导致DOC减少。其次,本试验中N添加使Al3+活化,而释放的Al3+可与土壤有机分子络合,形成稳定不易分解的化合物而留在土壤固相中,即土壤溶液DOC浓度降低[44]。N添加也可能使植物的细根生物量降低,从而降低由根系分解及根系分泌物产生的DOC。

芳香腐殖质是指土壤溶液中溶解性有机质(DOM)内比较稳定、不易被微生物分解的分子。AI是评价DOM中芳香结构含量的重要指标,AI值越高,表明DOM中芳香化合物相对含量越高,即DOM结构越复杂[24]。本试验的AI值普遍不高,与元晓春等[39]对福建杉木人工林的试验结果相似,说明DOM中芳香化合物所占比例低,结构简单。本试验中,A层AI值随N添加的增加而增加,B层AI值则无影响。元晓春等[24]对福建杉木人工林的研究发现0—15 cm时N添加显著影响DOM结构,30 cm时N添加对DOM结构无影响,表明土层越深,有机质结构受N添加的影响逐渐减小。这可能由微生物活动造成,土层越深,土壤中微生物活动越弱,因此DOM结构在土壤下层未发生显著变化。

3.4 N添加对土壤溶液EC、Eh的影响

Eh是土壤溶液中多种氧化及还原物质进行各种反应后的综合体现,能够反映土壤溶液氧化还原性质的相对程度,也是影响重金属活性的关键因子[45]。本研究中,CK下,两层土壤溶液Eh分别为249 mV(A层)和276 mV(B层),N添加使 Eh显著升高,即氧化性增强,从而促进土壤形成铁锰氧化物,铁锰氧化物会吸附某些重金属离子,导致这部分重金属离子在土壤中迁移率降低[45]。

4 结论

本研究说明该试验地已达到氮饱和状态,且该状态下土壤溶液酸化及铝活化仍在持续;N添加下土壤溶液氧化性增强,从而使某些重金属离子迁移率降低。